DESAFIOS DA MICROELETRÔNICA NO BRASIL E NA UFPR PROF. OSCAR C. GOUVEIA FILHO.
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DESAFIOS DA MICROELETRÔNICA NO
BRASIL E NA UFPR
PROF. OSCAR C. GOUVEIA FILHO
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ALGUNS EVENTOS HISTÓRICOS
ANO EVENTO1895 Marconi faz a primeira transmissão de rádio
1904 Fleming inventa o diodo a vácuo – início da Era da Eletrônica
1925 Lilienfield apresenta o conceito do dispositivo de efeito de campo
1947 Bardeen, Brattain e Shockley inventam o transistor bipolar nos laboratórios Bell
1956 Bardeen, Brattain e Shockley recebem o premio Nobel pela invenção do transistor bipolar nos laboratórios Bell
1958 Desenvolvimento do circuito integrado por Kylby – Texas Instruments e Noyce e Moore – Fairchild Semiconductor
2000 Kilby recebe o premio Nobel pela invenção do CI
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LEI DE MOORE
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LEI DE MOORE
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LEI DE MOORE
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Evolução nos níveis de integração
Ano Referência histórica Componentes por chip
1950 Componentes discretos 1 – 2
1960 SSI – Small-scale integration < 102
1966 MSI – Medium-scale integration 102 – 103
1969 LSI – Large-scale integration 103 – 104
1975 VLSI – Very large-scale integration 104 – 109
1990 ULSI – Ultra large-scale integration > 109
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MERCADO MUNDIAL DA ELETRÔNICA
1992 US$ 1 Trilhão, aproximadamente 10% do PIB2000 US$ 4 Trilhões
Categoria Porção (%)
Circuitos para processamento de dados 23
Programas e serviços para processamento de dados 18
Eletrônica profissional 10
Telecomunicações 9
Eletrônica de consumo 9
Componentes ativos 9
Componentes passivos 7
Eletrônica industrial 5
Instrumentação 5
Eletrônica de escritório 3
Aplicações médicas 2
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MERCADO BRASILEIRO
Déficit Comercial de Produtos Eletroeletrônicos
Jan-Dez 2001 - US$ 4.04 bilhões
Jan-Dez 2002 - US$ 5.80 bilhões
Variação – - 33%
Fonte: ABINEE
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Importações de Produtos do Setor(US$ milhões) 2000 2001 2002
2002%2001
Automação Industrial * 801 966 776 -20%
Componentes Elétricos e Eletrônicos
6.610 6.116 5.090 -17%
Equipamentos Industriais 667 1.545 1.768 14%
GTD 213 338 279 -17%
Informática 1.080 1.038 733 -29%
Material Elétrico de Instalação 640 593 437 -26%
Telecomunicações 1.522 2.340 707 -70%
Utilidades Domésticas Eletroeletrônicas 355 382 336 -12%
Total 11.887 13.318 10.125 -24%
Principais produtos eletroeletrônicos importados
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TECNOLOGIA DE CIRCUITOS INTEGRADOS
Microeletrônica
Silício GaAs
CMOS Bipolar MESFET Bipolar
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TECNOLOGIA BIPOLAR
• Tecnologia mais antiga - mais popular nas décadas de 60 e 70
• Operação em freqüências altas
• Alta transcondutância - aplicações lineares
• Menor densidade de integração relativa aos processos MOS
• Maior consumo de potência relativo aos processos MOS
• TTL, ECL, I2L
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Construção do transistor bipolar
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IEEE Spectrum, Jan. 99Transistor bipolar SiGe
base
emissor
coletor
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TECNOLOGIA CMOS
• Baixo consumo estático de potência
• Alta densidade de integração
• Atualmente é a tecnologia mais utilizada
• Circuitos mistos analógicos e digitais no mesmo chip
•Tecnologia otimizada para circuitos digitais
VDD
VoutVin
MP
MN
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polissilício de porta óxido SiO2
difusão de fonte ou dreno
substrato
canal de inversão
Estrutura
do MOSFET
canal N
p+n+n+
p-
+ VSB -
+ VGB -
+ VDB -
SG
D
B
L
W
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ESTRUTURA CMOS
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Transistores SOI
Porta
Óxido isolante
Camada fina de Si
Substrato de Si
Contatos de fonte e dreno
Metal
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CLASSIFICAÇÃO DOS CIRCUITOS INTEGRADOS
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CIRCUITOS INTEGRADOS (CI´s)
Digitais
Microprocessadores
Microcontroladores
Processadores digitais dedicados
Analógicos
AmplificadoresFiltrosModuladoresConversores A/D e D/A
AnalógicosBaixa freqüênciaRádio freqüência (RF)
Mistos Processadores digitais de sinais
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Circuitos digitais
•Alta densidade de integração
•Ferramentas de projeto bastante desenvolvidas
•Projetista praticamente não trabalha a nível de transistor
•Utilização de linguagens de descrição de alto nível (HDL)
Circuitos Analógicos
•Menor densidade de integração
•Projeto manual
•Projetista trabalha a nível de transistor
•Conhecimento do comportamento físico do dispositivo
•Ferramenta básica : simulador de circuitos (elétrico)
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Sistemas integrados
• baixo custo• baixo consumo de
potência• baixas tensões de
alimentação
EQUIPAMENTOS ELETRÔNICOS PORTÁTEIS
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•Tecnologia CMOS
•Alta densidade de integração•Baixo consumo de potência•Escalamento Reutilização de projetos
SISTEMAS INTEGRADOS EM UM CHIP
PROPRIEDADE INTELECTUAL
Componentes virtuais
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SILÍCIO20%
PROP. INT.80%
1997 2000
CRESCIMENTO DO VALOR DA PROPRIEDADE INTELECTUAL RELATIVA AO SILÍCIO
SILÍCIO50%
PROP. INT.50%
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Processo de Projeto de um Sistema Integrado em um Chip
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Derek K. Shaeffer et all, A 115-mW, 0.5 CMOS GPS Receiver with Wide Dynamic-Range Active Filters, IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 33, NO. 12, DECEMBER 1998
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FERRAMENTAS DE PROJETO(Electronic Design Automation - EDA)
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FERRAMENTAS DE PROJETO
EDA (Electronic Design Automation)
Programas de computador que realizam diversas tarefas no processo de projeto de um circuito integrado
TIPOS DE FERRAMENTAS
• Ferramentas de validação do projeto - SIMULADORES• Ferramentas para “layout”
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SIMULADORES
•Simuladores lógicos: Simulam o circuito a nível comportamental.
– Servem para verificar se o circuito realiza corretamente a função para a qual foi projetado.
– A descrição do circuito é feita no nível de funções lógicas.
– Os sinais de entrada e saída são estados lógicos (0, 1, X, Z).
– Aplicação: circuitos digitais.
•Simuladores de atraso (timing)
– Determinação do atraso na propagação de sinal em circuitos digitais
– Usam modelos simplificados para os dispositivos .
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SIMULADORES
•Simuladores Elétricos
– Fazem a análise do comportamento elétrico do circuito
– Utilizam modelos mais complexos para os componentes
– Circuitos analógicos e digitais pequenos
•Simuladores Mistos
– Circuitos mistos analógicos - digitais
– Simulação elétrica e lógica
– Incluem modelos para a interface analógica/digitall
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FERRAMENTAS PARA “LAYOUT”
PLANEJAMENTO GERAÇÃO SUPORTE
Planta do Chip
Alocador e Roteador
Planta dos Blocos
Geração deCélulas
Geração deBlocos
Montagem doChip
Verificação
Migração
Formatação de dados
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FERRAMENTAS PARA GERAÇÃO DE LAYOUT
•Editores gráficos –O desenho das máscaras é feito manualmente na tela do computador.
–O layout é convertido em uma linguagem de especificação geométrica padronizada (CIF) que é usada na fábrica para gerar as máscaras.
•Geradores de dispositivos–Geram automaticamente o layout a nível de transistor ou de células. Nova geração do editores de layout. São caros para a pequena empresa.
•Roteadores: Programas específicos para fazer interconexões.
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•Alocadores: Otimizar a alocação de células e blocos.
•Roteadores: Programas específicos para fazer interconexões.
•Compactadores: Usados para ajustar o layout às regras de projeto
•Compiladores de Silício: Geração automática de layout. Engloba
as ferramentas anteriores. Perda de flexibilidade, porém aumento na
velocidade de projeto. Muito caros para a pequena empresa.
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FERRAMENTAS DE VERIFICAÇÃO
•Checadores de regras de projeto (DRC): Programas que verificam erros de violação de regras de projeto no layout.
•Layout versus esquemático (LVS): Fazem uma verificação cruzada entre layout e esquemático.
•Extrator de circuito: Programa que extrai o esquema do circuito a partir do layout. Usado para verificar se o layout corresponde ao circuito projetado e para determinar elementos parasitas. Asaída pode ser um “netlist” na linguagem utilizada pelos simuladores de circuitos.
FERRAMENTAS DE SUPORTE
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FERRAMENTAS DE MIGRAÇÃO
•Reutilização de projetos
•Evolução dos processos de fabricação
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PROJETO DE Cis NA UFPR
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FERRAMENTAS
• MAGIC – Editor de layout – gratuito – LINUX
•L- EDIT - Editor de layout
• MENTOR GRAPHICS – Ferramenta Profissional
• SIMULADORES DE CIRCUITOS
RECURSOS PARA INTEGRAÇÃO
•MOSIS
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O QUE FAZEMOS
GRADUAÇÃO: 2 DISCIPLINAS OPTATIVAS
• Projeto de circuitos integrados digitais ( 7o período )• Projeto de circuitos integrados analógicos ( 8o período )
PÓS-GRADUAÇÃO
• Modelagem do transistor MOS• Modelagem de elementos passsivos (indutores)• Projeto de circuitos integrados de RF• Projeto de circuitos integrados digitais
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CI projetado pelo grupo de Microeletrônica do CIEL/UFPRusando a técnica de Sea-of- gates
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Circuitos de RF
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